用化工污泥制曝氣生物濾池填料

孫 婧，胡 俊，周桃玉，劉 權(quán)，徐炎華

（南京工業(yè)大學 環(huán)境學院江蘇省工業(yè)節(jié)水減排重點實驗室，江蘇 南京 211816）

化工污泥是污水處理廠處理化工廢水過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，屬于危險固廢，含多種有機毒物、重金屬和病原微生物等［1］。常規(guī)的污泥處理方法主要為焚燒法和填埋法。焚燒法處理速度快，能有效降低污泥的體積和質(zhì)量，焚燒過程產(chǎn)生的能量可用于供熱和發(fā)電。但焚燒法運行費用較高，且焚燒后的灰渣仍屬于危險固廢，易產(chǎn)生二次污染［2］。填埋法對場地的要求嚴格，會占用大量的土地資源，需要進行后續(xù)監(jiān)測，危險固廢安全填埋處置成本高［3］。

污泥的資源化符合可持續(xù)發(fā)展的理念［4］，用污泥制備吸附劑［5］和各種材料［6-7］是污泥處理的最佳方式。目前，報道較多的是以屬于一般固廢的城市污泥為原料制備水處理填料，如楊雷等［8］以城市污水廠污泥和頁巖為原料制備填料，齊元峰等［9］以城市污水廠脫水污泥、黏土和粉煤灰為原料制備水處理填料，闕科健［10］以城市污水廠污泥和凈水廠污泥為原料制備水處理填料。而采用化工污泥制備填料的研究鮮有報道。

本工作以化工污泥和頁巖為原料制備曝氣生物濾池填料（簡稱填料），考察了制備條件對填料性能的影響，對填料的結(jié)構(gòu)和形貌進行了SEM表征。將填料用于模擬廢水的處理，可有效去除模擬廢水中的COD和NH3-N。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

化工污泥取自南京某化工企業(yè)凈水廠，為化工廢水生化處理后產(chǎn)生的剩余活性污泥。污泥中含有重金屬、多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴，對生物具有一定毒性。污泥含水率為83.8%（w），pH=6.34，熱值約2 000 kJ/kg，顏色為黑褐色，有刺激性惡臭味。污泥γ輻射劑量率為0.09～0.10 μSv/h，輻射強度較低，不會對人體產(chǎn)生危害。將污泥在105 ℃下烘干，得到的干化污泥用粉碎機粉碎，過100目篩備用。干化污泥的重金屬含量見表1。

表1 干化污泥的重金屬含量 mg/kg

干化污泥的SiO2含量低、燒失量大，在制備填料的過程中，通常添加一定量的黏土作為輔料。而頁巖與黏土化學成分相似，用頁巖代替黏土可以保護耕地，因此選擇頁巖作為輔料。取未經(jīng)烘干的頁巖，直接用粉碎機粉碎，過100目篩備用。干化污泥和頁巖的主要化學組成見表2。

表2 干化污泥和頁巖的的主要化學組成 w，%

1.2 實驗儀器

A 11型分析研磨機：德國IKA集團；DHG-9033BS-Ⅲ型干燥箱：上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；SXZ-12TP型箱式電阻爐：濟南精密科學儀器儀表有限公司；PE5300DV型電感耦合等離子直讀光譜儀：上海赫安機電科技有限公司；JSM-5900型掃描電子顯微鏡：日本電子公司。

1.3 填料的制備

將干化污泥和頁巖按一定比例稱量后混勻，加入適量水后再次攪拌混勻。手工造粒，制備直徑為10 mm的生料球。將生料球放入干燥箱，在105℃下干燥2 h。干燥后的生料球放入箱式電阻爐中焙燒，冷卻，制得填料。

1.4 分析方法

在填料燒制工藝的研究中，多以吸水率和堆密度作為考核指標。吸水率和堆密度是反映填料孔隙率和粗糙度等的宏觀指標，適宜的孔隙率和粗糙度有利于微生物在填料表面的生長繁殖，對填料在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。按照GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法-第2部分：輕集料試驗方法》［11］測定填料的吸水率和堆密度。

對填料進行SEM表征。按照GB5058.3—2007《危險廢物鑒別標準-浸出毒性鑒別》［12］測定填料的重金屬浸出值和有機毒物浸出值。采用重鉻酸鉀法測定廢水COD［13］211—213，采用蒸餾法測定廢水ρ（NH3-N）［13］282—283。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料性能的影響因素

2.1.1m（干化污泥）∶m（頁巖）對填料性能的影響干化污泥中含有大量的有機質(zhì)，有機質(zhì)的燃燒能為填料的燒制過程提供熱量，燃燒釋放的氣體能提高填料的孔隙率。但干化污泥添加過多會降低填料的強度，且污泥燒失量大，造成填料的坍塌。在預熱溫度400 ℃、預熱時間20 m in、焙燒溫度1 150 ℃、焙燒時間10 m in的條件下，m（干化污泥）∶m（頁巖）對填料性能的影響見圖1。

圖1 m（干化污泥）∶m（頁巖）對填料性能的影響

由圖1可見：隨m（干化污泥）∶m（頁巖）的增大，填料的吸水率逐漸增加，堆密度逐漸降低；當m（干化污泥）∶m（頁巖）=0.5時，填料的吸水率為7.08%，堆密度為776.2 kg/m3。當m（干化污泥）∶m（頁巖）=0.7時，填料燒制過程中釋放的氣體過多，填料表面出現(xiàn)裂縫，填料的破碎率增大，不利于填料的制備和使用。因此，選擇m（干化污泥）∶m（頁巖）=0.5較適宜。

2.1.2 焙燒溫度對填料性能的影響

在m（干化污泥）∶m（頁巖）=0.5、預熱溫度400 ℃、預熱時間20 m in、焙燒時間10 m in的條件下，焙燒溫度對填料性能的影響見圖2。由圖2可見，隨焙燒溫度的升高，填料的吸水率大幅降低，堆密度先降低再略有升高。當焙燒溫度為1 000 ℃時，填料的吸水率達41.20%，填料顏色較淺，內(nèi)部孔隙不明顯，填料易破碎；隨焙燒溫度的升高，填料內(nèi)部發(fā)生化學反應(yīng)，生成K2O-A l2O3-SiO2，Na2O-A l2O3-SiO2，F(xiàn)eO-A l2O3-SiO2，CaO-A l2O3-SiO2等共熔物，微晶玻璃結(jié)構(gòu)逐漸增多［14］；當焙燒溫度達1 150 ℃時，填料的吸水率降至7.08%，填料表面粗糙，內(nèi)部有大量孔洞，抗壓強度較高，填料性能良好；當焙燒溫度達1 200 ℃時，填料的吸水率降至最低值（0.78%），填料出現(xiàn)部分熔融現(xiàn)象，使填料堆密度略有增加。焙燒溫度過高，填料表面易液化形成光滑的釉質(zhì)，不利于微生物附著；且填料之間粘連，不利于填料的制備。因此，選擇焙燒溫度為1 150 ℃較適宜。

圖2 焙燒溫度對填料性能的影響

2.1.3 焙燒時間對填料性能的影響

在m（干化污泥）∶m（頁巖）=0.5、預熱溫度400 ℃、預熱時間20 min、焙燒溫度1 150 ℃的條件下，焙燒時間對填料性能的影響見圖3。由圖3可見，隨焙燒時間的延長，填料的吸水率和堆密度逐漸降低。當焙燒時間為5 m in時，焙燒不充分，填料內(nèi)部反應(yīng)不完全，表面釉質(zhì)過薄，填料的吸水率和堆密度相對較高；當焙燒時間為10 m in時，填料的吸水率為7.08%；當焙燒時間延長至20 m in時，填料燒透，表面更加致密，內(nèi)部孔隙逐漸增多，吸水率降至2.32%。從節(jié)約熱能、降低制備成本的角度考慮，焙燒時間不宜過長。因此，選擇焙燒時間為10 m in較適宜。

圖3 焙燒時間對填料性能的影響

2.1.4 預熱溫度對填料性能的影響

預熱是填料燒制過程中的預處理階段，用于降低生料球中的碳含量，排出多余水分。在m（干化污泥）∶m（頁巖）=0.5、預熱時間20 m in、焙燒溫度1 150 ℃、焙燒時間10 m in的條件下，預熱溫度對填料性能的影響見圖4。

圖4 預熱溫度對填料性能的影響

由圖4可見，隨預熱溫度的升高，填料的吸水率先降低再升高，堆密度逐漸降低。當預熱溫度過低時，預熱效果不明顯，不能很好地調(diào)節(jié)生料球中的碳含量，不利于填料焙燒過程中孔隙的生成，失去了預熱的意義；當預熱溫度為350～400 ℃時，燒制的填料性能較好；當預熱溫度為450 ℃時，填料中的有機質(zhì)和水分消耗過快，填料表面易出現(xiàn)細小的裂紋，填料內(nèi)部孔隙較小。因此，從節(jié)約能源的角度考慮選擇預熱溫度為350 ℃較適宜。

2.1.5 預熱時間對填料性能的影響

在m（干化污泥）∶m（頁巖）=0.5、預熱溫度350 ℃、焙燒溫度1 150 ℃、焙燒時間10 min的條件下，預熱時間對填料性能的影響見圖5。由圖5可見：隨預熱時間的延長，填料的吸水率和堆密度逐漸降低；當預熱時間為20 m in時，填料的吸水率為7.14%，堆密度為785.2 kg/cm3，填料性能已基本穩(wěn)定。因此，選擇預熱時間為20 m in較適宜。

圖5 預熱時間對填料性能的影響

2.2 表征結(jié)果

在m（干化污泥）∶m（頁巖）=0.5、預熱溫度350℃、預熱時間20 min、焙燒溫度1 150 ℃、焙燒時間10 min的條件（最佳制備條件）下，制得填料的SEM照片見圖6。由圖6可見：填料的表面粗糙度高，有利于微生物的附著固定，可為微生物提供穩(wěn)定的棲息和繁殖環(huán)境；填料內(nèi)部有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可使微生物抵抗外界環(huán)境的干擾，更好的適應(yīng)環(huán)境。

圖6 填料的SEM照片

為檢驗填料的安全性，按照GB 5058.3—2007《危險廢物鑒別標準-浸出毒性鑒別》測定填料的重金屬浸出值和有機毒物浸出值，實驗結(jié)果見表3。由表3可見，填料的重金屬浸出值和有機毒物浸出值遠低于標準給出的含量限值。說明在制備填料的過程中可以很好地固定化工污泥中的重金屬和有機毒物，填料性能穩(wěn)定，不會產(chǎn)生二次污染。

表3 填料的重金屬浸出值和有機毒物浸出值 ρ/（mg·L-1）

2.3 填料對模擬廢水的處理效果

在進水COD為300 mg/L、進水ρ（NH3-N）為22.0 mg/L、反應(yīng)溫度為25 ℃、水力停留時間為4 h的條件下，掛膜14 d后填料對模擬廢水的處理效果穩(wěn)定，出水COD為24 mg/L、出水ρ（NH3-N）為7.7 mg/L，COD和NH3-N的去除率分別達到92%和65%。實驗結(jié)果表明，填料可有效去除模擬廢水中的COD和NH3-N。

2.4 經(jīng)濟效益分析

本實驗使用的化工污泥含有多種有毒有害成分，通常采取焚燒后安全填埋的處理方法，不僅處理費用較高，且對環(huán)境造成不利影響，處理費用約為2 000 元/t。用化工污泥制填料所需的成本低，僅為800 元/t。將污泥作為原料制備填料，不僅解決了污泥的處置問題，還可取得一定的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了化工污泥的“變廢為寶”。

3 結(jié)論

a）采用化工污泥制備曝氣填料的最佳制備條件為：m（干化污泥）∶m（頁巖）=0.5，預熱溫度350 ℃，預熱時間20 m in，焙燒溫度1 150 ℃，焙燒時間10 m in。在最佳制備條件下制得的填料的吸水率為7.14%，堆密度為785.2 kg/cm3。

b）表征結(jié)果顯示，制得填料的表面粗糙度高，內(nèi)部有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，有利于微生物生長繁殖。填料的重金屬浸出值和有機毒物浸出值遠低于GB5058.3—2007《危險廢物鑒別標準-浸出毒性鑒別》中給出的含量限值。

c）將填料用于模擬廢水的處理，COD和NH3-N的去除率分別達到92%和65%。用化工污泥制填料的成本低，僅為800 元/t。

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